覆岩结构下含水层开采疏放水效果评价研究.pdf
★煤矿安全★ 移动扫码阅读 引用格式吕兆海,潘长斌,杨皓博,等覆岩结构下含水层开采疏放水效果评价研究 [J]中国煤炭,2 0 2 0,4 6 8∶7 9-8 4 L vZ h a o h a i,P a nC h a n g b i n,Y a n gH a o b o,e t a l E v a l u a t i o ns t u d yo nw a t e rd r a i n a g ee f f e c to f a q u i f e rm i n i n g u n d e ro v e r b u r d e ns t r u c t u r e[J] C h i n aC o a l,2 0 2 0,4 68∶7 9-8 4 覆岩结构下含水层开采疏放水效果评价研究 吕兆海1 潘长斌1 杨皓博2 高 雅3 林金川1 靳 华1 李德彬3 1 国家能源集团宁夏煤业有限责任公司,宁夏回族自治区银川市,7 5 0 0 1 1; 2 陕西彬长小庄矿业有限公司,陕西省彬州市,7 1 3 5 0 0; 3 西北矿井水文地质研究院,内蒙古自治区乌海市,0 1 6 0 0 0 摘 要 针对覆岩结构下煤层开采顶板水量变化情况,利用数值模拟方法对上覆含水层 进行了有效探查和疏放研究.结果表明覆岩组合特性控制着含水层释放过程,通过优化疏 放水钻孔设计提高疏放水效果,实现工作面回采过程中矿井涌水量 “ 削峰平谷” ,以达到经 济合理的目的,垂直或平行于地层走向并朝向地层标高降低方向的钻孔疏放水效果最佳.选 择从钻孔疏放水原始数据、总量变化、钻场水量变化、疏放水量与水压相关性等方面的评价 途径,对上覆含水层疏放效果进行分析研判,判断工作面受水害威胁程度降低至安全阈值范 围,具备安全开采条件,为后续工作面顶板疏放水方案制定及效果评价提供参考. 关键词 上覆含水层 数值模拟 覆岩组合特征 安全阈值 效果评价 中图分类号 T D 7 4 5 2 文献标识码 A E v a l u a t i o ns t u d yo nw a t e rd r a i n a g ee f f e c t o fa q u i f e rm i n i n gu n d e ro v e r b u r d e ns t r u c t u r e L vZ h a o h a i 1, P a nC h a n g b i n 1, Y a n gH a o b o 2, G a oY a 3, L i nJ i n c h u a n 1, J i nH u a 1, L iD e b i n 3 1. N i n g x i aC o a l I n d u s t r yC o . ,L t d.,C h i n aE n e r g yI n v e s t m e n tC o r p o r a t i o n,Y i n c h u a n,N i n g x i a7 5 0 0 1 1,C h i n a; 2. X i a o z h u a n gM i n i n gC o . ,L t d.,S h a a n x iB i n c h a n gM i n i n gG r o u pC o .,L t d.,B i n z h o u,S h a a n x i 7 1 3 5 0 0,C h i n a; 3. N o r t h w e s tM i n eH y d r o g e o l o g yR e s e a r c hI n s t i t u t e,Wu h a i,I n n e rM o n g o l i a0 1 6 0 0 0,C h i n a A b s t r a c t I nv i e wo f t h e r o o fw a t e r c h a n g e i nc o a lm i n i n gu n d e ro v e r b u r d e ns t r u c t u r e,t h ee f f e c t i v ee x p l o r a t i o na n dd r a i n a g e o fo v e r l y i n ga q u i f e rw e r es t u d i e db yu s i n gn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o d T h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h ec o m b i n a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o fo v e r b u r d e nc o n t r o l l e d t h e r e l e a s ep r o c e s so f a q u i f e r T h ed r a i n a g e e f f e c t c o u l db e i m p r o v e db yo p t i m i z i n g t h ed e s i g no f d r a i n a g e b o r e h o l e s,r e a l i z i n g t h e s m o o t hc h a n g eo f t h em i n ew a t e r i n f l o wi n t h em i n i n gp r o c e s so fw o r k i n g f a c e,s oa s t oa c h i e v e t h e e c o n o G m ya n dr a t i o n a l i t y T h eb e s t d r a i n a g e e f f e c t o f b o r e h o l e sp e r p e n d i c u l a r t oo rp a r a l l e l t o t h e s t r a t u ms t r i k e a n d t o w a r d t h ed i r e c t i o n o f l o w e r i n gt h e f o r m a t i o ne l e v a t i o nw a s t h eb e s t T h ed r a i n a g ee f f e c to fo v e r l y i n ga q u i f e rw a sa n a l y z e da n dj u d g e df r o mt h ea s G p e c t so fo r i g i n a l d a t a,t o t a l a m o u n t c h a n g e o f b o r e h o l ed r a i n a g e,d r i l l i n g f i e l dw a t e r q u a n t i t yc h a n g e,c o r r e l a t i o nb e t w e e nd r a i n a g e w a t e rq u a n t i t ya n dw a t e rp r e s s u r e,e t c ,a n d t h e t h r e a t d e g r e eo fw a t e r d i s a s t e r o nw o r k i n g f a c ew a s r e d u c e d t o t h e s a f e t y t h r e s h G o l dr a n g ea n dt h ew o r k i n gf a c eh a dt h ec o n d i t i o n s f o r s a f em i n i n g,t h e r e s u l t sp r o v i d e dr e f e r e n c e f o r t h e s u b s e q u e n t r o o f d r a i n a g e s c h e m e f o r m u l a t i o na n de f f e c t e v a l u a t i o n K e y w o r d s o v e r l y i n g a q u i f e r,n u m e r i c a l s i m u l a t i o n,o v e r b u r d e n c o m b i n a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s,s a f e t y t h r e s h o l d, e f f e c t e v a l u a t i o n 97 覆岩结构下含水层开采疏放水效果评价研究 随着煤矿开采规模和开采深度、强度的不断加 大,工作面顶板水害威胁日益严重,煤矿安全高效 开采受到制约[ 1].采煤工作面上覆含水层疏放水在 工作面开采扰动作用下,极易造成围岩失稳,围岩 卸荷诱发采煤工作面覆岩裂隙发育、岩体大范围冒 落[ 2],甚至导通巷道顶底板隔水层发生涌突水事 故,严重制约现场安全高效开采[ 3-4].据统计,地 表水、大气降水、地下水等水患类型造成的矿井巷 道突水事故占比9 5 3%[ 5-6].考虑导水裂隙带高 度是否触及到顶底板含水层[ 7-8],开挖扰动破坏范 围越大,冒裂带到含水层的高度随之越高,则煤层 顶底板局部富水性越强[ 9-1 0].因此,研究工作面 顶板在开采扰动作用下突水机理及防治措施,对矿 井安全生产具有科学价值和借鉴意义. 1 概况 金家渠矿1 1 0 3 0 1工作面,走向长约1 9 0 0m, 倾向长约2 5 0m,采高约3 8m.该工作面位于金 家渠逆断层西侧,尖儿庄背斜东北侧,总体为单斜 构造,工作面中部高,切眼和停采线位置相对较 低,回采初期为仰采,中部后为俯采.根据水文地 质资料分析,工作面受水害威胁主要为3号煤层顶 板砂岩水.工作面距直罗组下段砂岩含水层距离 4 0 5 55 6 6 7m,平均距离5 1 8 7m,该含水层厚 1 8 3 51 5 0 0m,平均厚9 0 4 6m;工作面距2 3号煤间含水层距离09 3 5m,平均距离3 5m, 该含水层厚9 53 0 7 9m,平均厚度2 2 8 7m. 2 含水层疏放水设计 鉴于金家渠矿过去未开展工作面上覆含水层疏 放工程,经验匮乏的情况,为更好开展疏放工作, 疏放钻孔布置在工作面的回风巷道、辅运巷及主运 巷内.钻场总设计2 3个,钻场间距1 0 02 0 0m, 每个钻场设计35个钻孔,所布置钻孔均为上仰 孔1 5 ,终孔层位为进入直罗组下段含水层4 0m 停止.具体钻孔施工如图1所示. 图1 工作面上覆含水层疏放钻孔布置 3 含水层疏放规律研究 笔者从含水层疏放总量及各钻场水量参数空间 分布、地质构造主控作用、含水层揭露处涌水特征 与含水层露头补给方面,综合分析了工作面上覆含 水层疏放规律,得出各钻场上覆含水层疏放水量变 化特征. 3 1 含水层疏放量变化特征 3 1 1 含水层疏放水量变化 1 1 0 3 0 1工作面在2 0 1 8年4月1 1日疏放水量 为3 8 2m 3/ h,工作面疏放水量总体呈增长趋势, 各疏放钻孔存在不同程度堵孔、塌孔现象,造成工 作面疏放水量呈现波动变化.4月2 8日,新施工 F Y2-3孔 1 3 0 m 3/ h , 工 作 面 疏 放 水 量 达 4 9 2 2m 3/ h,随后平缓下降;至6月3日,施工 F Y3-4钻孔 1 0 0m 3/ h ,工作面疏放水量又增加 至3 3 5m 3/ h;后续F Y4-2和F Y4-3钻孔相继施工, 造成工作面疏放水量于7月8日达到5 0 9 4m 3/ h; 在8月2日 到1 2月6日 期 间 陆 续 对F Y3-7、 F Y3-9、F Y3-1 1、F Y3-1 2、F Y4-2、F Y4-1 2钻孔进行 控制性放水,造成工作面疏放水量整体呈波动式下 降;1 2月2 3日达到最大值5 9 6m3/ h,工作面疏放 水量呈快速增长趋势.此后,随着疏放时间延续, 顶板砂岩含水层内静储量被逐渐疏放,工作面疏放 水量继续降低并趋于稳定,至2 0 1 9年4月9日, 工作面疏放水量保持在1 7 6 4m 3/ h.工作面上覆 含水层疏放水量变化趋势如图2所示. 08 中国煤炭第4 6卷第8期2 0 2 0年8月 图2 工作面上覆含水层疏放水量变化趋势 3 1 2 工作面累计疏放水量分析 1 1 0 3 0 1工作面累计施工可疏放钻孔8 6个,疏 放水总量达3 2 1 3 3万m 3.其中,2 0 1 6年累计疏 放 水1 5 7 8万m 3;2 0 1 7 年 累 计 疏 放 水2 5 8 万m 3;2 0 1 8年累计疏放水2 0 9 3 4万 m 3;2 0 1 9年 累计疏放水7 1 5 1万m 3. 3 2 各钻场上覆含水层疏放水量变化特征 1 1 0 3 0 1工作面各钻场上覆含水层疏放水量变 化见表1.由表1可知回风巷道、辅运巷各钻场疏 放水量基本呈现随着钻场内钻孔施工,短期内水 量快速增大,水量达到最大值后,再呈波动式减小 趋于稳定的变化规律,且各钻场疏放水量总体表现 为距离切眼越近,早期施工的钻场最大水量较大. 回风 巷 道 钻 场 疏 放 周 期 较 长,疏 放 水 量 降 至 0m 3/ h,回风巷道F旧1+F1+ F2+F3+F4-2+ F5-2钻场水量0m 3/ h;辅运巷F Y1+F Y2+F Y3+ F Y4+F Y5+F Y6+F Y7钻场水量为1 7 6 4 m 3/ h, 占工作面疏放水量的1 0 0%,达到稳定状态,呈现 出明显的先快速增大,到最大值后,呈先快速下 降、后缓慢下降并趋于稳定的变化规律,各钻场疏 放水量波动变化明显.总体而言,各钻场的疏放水 量变化规律与回风巷道各钻场相似,基本趋于稳 定,钻孔涌水量衰减良好. 表1 工作面各钻场上覆含水层疏放水量变化 钻场 初始水量 / m3h-1 最大水量 / m3h-1 最终水量 / m3h-1 F旧11 3 02 1 50 F112 9 00 F24 07 20 F321 90 F4-21 01 00 F5-2220 F Y1 05 08 00 F Y18 98 97 5 F Y21 3 01 3 9 46 4 2 F Y31 0 03 0 9 12 4 3 F Y44 02 9 2 22 2 2 F Y55 09 07 7 F Y63 01 1 88 F Y74 51 5 14 2 5 3 3 含水层疏放钻孔水量稳定性分析 在工作面所施工的钻孔中,最大水量与最终水 量的差值和最大水量之比为衰减率.工作面切眼附 近1 0 0 0m范 围 内 疏 放 水 钻 孔 水 量 衰 减 率 比 例 见表2. 表2 工作面试验段疏放水钻孔水量衰减率比例 试验段疏放水钻孔 8 0%的钻孔1 4%的钻孔5%的钻孔0%的钻孔1%的钻孔 钻孔衰减率 9 0%<X≤1 0 0%7 0%<X≤9 0%5 0%<X≤7 0%3 0%<X≤5 0%0%≤X≤3 0% 对工作面切眼1 0 0 0m范围内上覆含水层疏放 钻孔涌水量分析,疏放钻孔按照方位角可归为平行 于巷道、垂直于巷道、斜交于巷道、平行地层走 向、垂直地层走向5类.工作面切眼1 0 0 0m范围 内已施工的7 4个可疏放钻孔中,4 0个处于稳定状 态,占5 4%;3 3个处于基本稳定状态,占4 5%; 剩余1个处于不稳定状态,占1%,说明静储量已 基本疏放完毕.经统计,工作面切眼附近1 0 0 0m 范围内最大疏放水量>5 0m 3/ h的可疏放钻孔2 1 个,回风巷道内5个;辅运巷内分布1 6个.经过 近一年的集中疏放,顶板砂岩含水层静储量得到了 有效疏放.回风巷道内最大涌水量大于5 0 m 3/ h 18 覆岩结构下含水层开采疏放水效果评价研究 的5个钻孔都分布在切眼处,且此类钻孔的最大涌 水量值较大;辅运巷中钻孔最大涌水量>5 0m 3/ h 的F Y1-6、F Y2-9也分布在切眼处,进一步说明了 切眼处煤层底板标高低,顶板含水层涌水量较大, 说明采前预疏放工作的必要性.本次统计的最大涌 水量>5 0 m 3/ h的2 1个 钻 孔 中,4个 F1-4、 F旧1-3、F Y3-5、F Y4-3平行于地层走向分布,6 个F Y3-4、F Y3-6、F Y3-7、F Y3-8、F Y3-9、 F Y4-2垂直地层走向分布;3个 F1-2、F旧1-1、 F Y3-1 1垂直巷道分布,2个 F Y2-3、F Y2-9平 行巷道分布,剩余6个 F 1-3、F Y1-6、F Y3-1 2、 F Y4-1 2、F Y6-2、F Y6-4钻孔方位介于垂直与平 行巷道之间区域.最大疏放水量钻孔及其分布方位 见表3. 表3 最大疏放水量钻孔及其分布方位一览表 钻场孔号最大水量/ m 3h-1 钻孔方位 F1 F1-21 5 4 垂直巷道向内 9 0 F1-31 7 0 与巷道相交向内向停采线方向 F1-41 2 0 平行地层走向向内向停采线方向 F旧1 F旧1-11 3 0 垂直巷道向内 9 0 F旧1-31 3 0 平行地层走向向内向停采线方向 F Y1F Y1-68 9 与巷道相交向外向停采线方向 F Y2 F Y2-31 3 0 平行巷道向停采线方向 F Y2-96 0 平行巷道向切眼方向 F Y3 F Y3-41 2 9 垂直地层走向向外向切眼方向 F Y3-51 0 0 平行地层走向向外向停采线方向 F Y3-61 0 4 垂直地层走向向外向切眼方向 F Y3-77 0 垂直地层走向向外向切眼方向 F Y3-87 0 垂直地层走向向外向切眼方向 F Y3-91 3 1 垂直地层走向向外向切眼方向 F Y3-1 18 0 垂直巷道及地层走向向外 9 0 F Y3-1 28 0 与巷道相交向外向切眼方向 F Y4 F Y4-21 1 6 垂直地层走向向外向切眼方向 F Y4-39 2. 6 平行地层走向向外向停采线方向 F Y4-1 28 0 与巷道相交向外向停采线方向 F Y6 F Y6-27 0 与巷道相交向外向切眼方向 F Y6-46 0 与巷道相交向外向停采线方向 综合分析,对后续疏放水段钻孔优化设计,实 现工作面回采过程中矿井涌水量 “ 削峰平谷” .建 议在后续施工疏放水钻孔时,多在下巷施工垂直或 平行于地层走向并朝向地层标高降低方向的钻孔. 3 4 含水层疏放水量与水压作用关系 3 4 1 疏放水量和水压相关性 根据工作面上覆含水层疏放钻孔的水压及钻孔 涌水量观测数据,绘制了钻孔涌水量和水压的关系 曲线,如图3所示,钻孔疏放水量和水压之间具有 一定的相关性,随着疏放周期的延长,二者的变化 趋势基本一致,随着钻孔疏放水量减小,水压也随 之减小. 3 4 2 疏放前后水压疏降情况 顶板砂岩含水层疏放前后的等水压线图见图 4.得出疏放前地下水流向大致为自西向东,工作 面回 风 巷 水 压 为00 6 MP a,辅 运 巷 为1 1 6MP a,回风巷水压低于辅运巷1MP a.针对工 作面切眼近1 0 0 0m范围开展上覆含水层疏放工程 后,地下水大致流向基本和疏放前保持一致,回风 巷水压介于00 2MP a,疏放范围内回风巷水压 基本降为0MP a,水压平均降低0 4MP a;辅运巷 水压疏放后为0 30 6 5 MP a间,水压平均降低 0 9MP a,整个工作面水压介于00 6 5MP a. 根据各测压孔平均见水点孔深约为6 0m,钻 孔内水柱影响高度平均约3 5m,即0 3 5MP a.考 虑到钻孔水柱的影响,已疏降至0 3 MP a以下, 疏放效果整体良好. 28 中国煤炭第4 6卷第8期2 0 2 0年8月 图3 疏放水量和水压关系 图4 3号煤层顶板砂岩水疏放前后等水压线 3 5 疏放钻孔水量与预测涌水量分析 通过对上覆含水层疏放水量与静储量的分析得 出,疏放水量介于预测的正常静储量值与最大值之 间,各钻孔水位降深明显,顶板含水层静储量已得 到有效疏放;对上覆含水层疏放水量与动态补给量 分析得出,工作面切眼1 0 0 0m范围内上覆含水层 38 覆岩结构下含水层开采疏放水效果评价研究 疏放钻孔总水量呈缓慢下降趋于稳定.基于解析法 对工作面涌水量预测,在距离切眼1 0 0 0m范围的 正常动态补给量的预测值为2 2 5m 3/ h 包括顶板 砂岩含水层1 9 7m 3/ h、风氧化带2 8m 3/h .钻孔 残余总水量小于动态补给量,所以本次工作面上覆 含水层疏放工作基本达到疏放效果. 4 含水层疏放效果评价 通过对工作面上覆含水层集中疏放,煤层顶板 直罗组砂岩含水层及延安组23号煤层间砂岩含 水层和风氧化带水得到有效疏放.上覆含水层及风 氧化带疏放探测,各钻孔均可有效疏放 “ 两带”高 度所能波及的含水层范围,疏放总水量基本稳定, 含水层水疏放效果明显.各钻孔衰减率均匀变化, 疏放钻孔对顶板砂岩含水层静储量的疏放效果良 好.静储量已基本疏放完毕,目前所疏放的水量大 部分由动态补给量组成.基于测压数据和疏放水量 变化趋势特征,得出含水层水压随上覆含水层疏放 而逐渐降低,判断经疏放后顶板含水层水压已小于 0 3MP a,工作面基本无水患威胁.综上所述,工 作面切眼附近1 0 0 0m范围内已施工的7 4个钻孔经 过近1 2个月的疏放对顶板砂岩水疏放效果良好. 5 结论 1工作面切眼1 0 0 0m范围内正常动态补给 量预测约2 2 5m 3/ h;目前工作面钻孔的残余总水 量1 7 6 4m 3/ h,小于预测的动态补给量,判断各 钻孔控制范围 内顶板含 水层静 储 量 已 得 到 有 效 疏放. 2覆岩组合特征控制着煤层采动含水层释放 过程,对上覆含水层疏放效果进行分析研判,判断 工作面受水害威胁程度降低至安全阈值范围,具备 安全开采条件,评价途径为后续工作面顶板疏放水 方案的制定及效果评价提供参考. 3疏放水段钻孔优化疏放水效果,实现工作 面回采过程中矿井涌水量 “ 削峰平谷” ,以达到经 济合理的目的,垂直或平行于地层走向并朝向地层 标高降低方向的钻孔疏放水效果最佳. 参考文献 [ 1] 武强,黄晓玲,董东林,等评价煤层顶板涌 突 水条件的 “ 三图-双预测法” [J]煤炭学报,2 0 0 0, 2 51 6 2-6 7 [ 2] 陈守建,王永,伍跃中,等西北地区煤炭资源及 开发潜力 [ J]西北地质,2 0 0 6,3 94 4 0-5 6 [ 3] 金 家 渠 煤 矿1 1 0 3 0 1工 作 面 开 采 防 治 水 安 全 评 价 [R]西北矿井水文地质研究院,2 0 1 9,4 [ 4] 曹主军随钻测量定向钻进技术在矿井顶板水患治 理中的应用研究 [ J]探矿工程 岩土钻掘工程 , 2 0 1 5,4 22 2 3-2 7 [ 5] 马念杰,赵希栋,赵志强,等深部采动巷道顶板 稳定 性 分 析 与 控 制 [J]煤 炭 学 报,2 0 1 5,4 0 1 0 2 2 8 7-2 2 9 5 [ 6] 郑 颖 人岩 土 数 值 极 限 分 析 方 法 的 发 展 与 应 用 [ J]岩 石 力 学 与 工 程 学 报,2 0 1 2,3 12 1 2 9 7-1 3 1 6 [ 7] 王思敬论岩石的地质本质性及其岩石力学演绎 [ J]岩石力学与工程学报,2 0 0 9,2 83 4 3 3- 4 5 0 [ 8] 武强,崔芳鹏,赵苏启,等矿井水害类型划分及 主要特 征 分 析 [J]煤 炭 学 报,2 0 1 3,3 8 4 5 6 1-5 6 5 [ 9] 曹胜根,姜海军,王福海,等采场上覆坚硬岩层 破断的数值模拟研究 [ J]采矿与安全工程学报, 2 0 1 3,3 02 2 0 5-2 1 0 [ 1 0] 徐能雄适于数值模拟的三维工程地质建模方法 [ J]岩 土 工 程 学 报,2 0 0 9,3 11 1 1 7 1 0- 1 7 1 6 [ 1 1] 尹尚先,徐斌,徐慧,等综采条件下煤层顶板导 水裂缝 带 高 度 计 算 研 究 [J]煤 炭 科 学 技 术, 2 0 1 3,4 19 1 3 8-1 4 2 作者简介吕兆海 1 9 8 0-, 男, 安徽界首人, 高级 工程师, 博士, 主要从事煤矿安全生产管理、 采场稳定性 评价方面的研究.E G m a i l2 8 0 1 5 1 2 6 5@q q c o m. 责任编辑 张艳华 48 中国煤炭第4 6卷第8期2 0 2 0年8月